ファイバーの非線形光学効果を用いた高速光信号の再生技術

High-Speed Optical Signal Regeneration Using Fiber Nonlinearity

In-line all-optical signal regenerators enable high quality signal transmission over long distances, which is important in realizing large-scale and high-speed photonic networks. One of promising candidate for the nonlinear medium for high-speed signal regeneration processing is optical fibers. In this article, performance of in-line all-optical signal regenerators utilizing self-phase modula-tion (SPM) or four-wave mixing (FWM) in fibers is studied. First, two types of SPM-based regenerators consisting of a nonlinear fiber and an optical bandpass filter are analyzed and compared. Then the performance of FWM-based regenerators, which have ability of amplitude stabilization while maintaining phase information carried by the signal is discussed. It is also shown that return-to-zero differential phase-shift keying (RZ-DPSK)transmission performance can be improved by the FWM-based regenerator.

Key words: signal regeneration, fiber nonlinearity, optical communication, photonic network

現状の光ファイバー通信ネットワークにおいては，ネッ トワーク内での信号経路切り換え，信号の多重化および多 重 離，信号再生などの処理は光/電気および電気/光変換 を介した電気領域で行われる．電気領域で処理できる信号 速度は，現状ではせいぜい数十 Gbpsであり，また光/電気 変換に伴って光信号の位相情報が失われる．このことは， ネットワーク内での電気信号処理が，光ファイバー通信ネ ットワークの潜在的な超高速性，トランスペアレント性， および柔軟性を十 に生かしきることを妨げる要因となっ ていることを意味している．この問題を解決するための方 法として，電気信号処理を全光信号処理に置き換えること が注目されており，活発な研究が展開されている． 長距離伝送において重要な全光信号処理のひとつに光信 号再生がある．光信号再生は，伝送ファイバーやネットワ ーク素子の種々の 散性や非線形性に起因する，信号波形 歪みならびに増幅器雑音の累積の除去を光領域で行う方法 であり，大規模な全光ネットワークを実現するために欠く ことのできない信号処理である．光信号再生器は，振幅増 幅 (reamplification)と波形整形 (reshaping)機能からな る 2R 型再生器と，それにタイミング再生 (retiming)機能 を付加した 3R 型再生器に 類できる．いずれの再生器に おいても，閾値処理を含む波形整形機能 (図 1(a)) を光 領域で実現するためには非線形光学効果の利用が必須であ る．また，ほとんどの 3R 型再生器におけるタイミング再 生は，入力信号と同期させて生成したジッターのないクロ ックパルス列を入力信号パルスによってオン/オフするこ とで実現されており (図 1(b))，そのスイッチング動作を 実現するために光非線形性の利用が必要になる．光領域に おいて非線形性を示す材料としては，半導体光増幅器をは じめとする半導体デバイスと光ファイバーが代表的であ る．そのうちの光ファイバーは，集積性に欠けるもののフ ェムト秒オーダーの非線形応答時間をもち，数百 Gbpsを 超える速度の信号処理に応用できる．また，最近では，コ アに高濃度の GeO を添加した実効コア断面積が小さな高 非線形シリカファイバー (非線形位相シフト係数 γが 20/W/km 程度) に加えて，大きな非線形性を有するガラ 34巻 1号（2 05） 19 19( )

E-ファイバーの非線形光学効果を用いた高速光信号の

再生技術

本 正 行

ス材料と空孔ファイバー構造を組み合わせた高非線形ファ イバー (γが数百/W/km 以上)も開発されており ，必要 なファイバー長の縮小に向けた取り組みが精力的に行われ ている． 本解説では，ファイバーの非線形光学効果を利用した各 種の信号再生器のうち，自己位相変調効果を利用した再生 器と四光波混合効果を利用した再生器を取り上げ，その特 徴やこれまでの研究報告例，および動作特性の数値計算結 果を紹介する． 1. 自己位相変調効果を利用した全光信号再生器 ファイバーを構成する媒質 (主としてシリカガラス) は カー効果と呼ばれる非線形性を有しており，その屈折率が 媒質中の光強度に応じて変化する ．媒質の屈折率変化は， ファイバーを伝わる信号光の位相変化をもたらす．信号光 自身の電力による位相変化 (自己位相変調 (self-phase modulation:SPM))の大きさ Δφは，γを非線形係数，P を信号光電力，L をファイバー長として，Δφ＝γPL で与 えられる．非線形係数が γ＝20/W/km の高非線形ファイ バーの場合，ファイバー長を例えば L＝1km に選べば， 160mW 程度の光電力に対しておよそ πの位相変化が生 じ，電力制御スイッチング動作などが実現される．SPM を利用する信号再生器では，入力信号の強度に依存した非 線形効果を用い，入力信号の一部を出力信号として用いる ため，再生器内にプローブ光源やポンプ光源を備える必要 がなく，装置の構成が簡単になる． SPM を利用した信号再生器は，非線形干渉計の入出力 特性を利用するものと ，ファイバー中の非線形的なス ペクトル幅の変動と光バンドパスフィルタリングを組み合 わせたもの ，に大別できる．それらの構成の概略を図 2 に示す．図 2(a) に示す非線形光ループミラーは，ループ に う時計まわりの経路と反時計まわりの経路を 2つのア ームとする干渉計である．方向性結合器によって 岐され， 2つの経路に って別々に伝搬する光信号は，SPM 効果 によってそれぞれの電力に比例する位相シフトを受ける． その位相シフトの差が非線形ループミラーへの入力信号電 力の大きさに比例する．したがって，干渉の結果として得 られる信号電力透過率は，入力電力に対して正弦波的に変 化する．非線形光ループミラー型信号再生器は，この特性 を利用して波形整形動作を行うものである．この種の信号 再生器は，干渉計型のデバイスであるため，非線形性の利 用効率が高く，比較的低い入力信号電力に対して再生器機 能が得られる．その一方で，動作点の設定に高い精度が要 求され，また特性が周囲環境の変化に比較的敏感に反応す るなどの問題がある．最近では，非線形光ループミラー型 2R 信号再生器を用いた 80Gbps，3000km 周回伝送実験 や ，320Gbpsの速度における雑音除去動作の検証実験 が報告されている． 図 2(b) の信号再生器は，光増幅器，高非線形ファイバ ー (highly nonlinear fiber:HNLF)および狭帯域光バンド バスフィルター (optical bandpass filter: OBPF) から構 成される．HNLF 中の SPM 効果は信号電力に依存したス ペクトル広がりをもたらすため，中心波長や帯域幅を固定 した OBPF を介して出力を取り出すことによって，入力 信号電力と出力信号電力の間に非線形関係をもたせること ができる．この構成は光の干渉効果を利用するものではな いため，安定で入力偏波依存性が小さい動作が可能であ り，また構成素子のパラメーター設定の許容範囲が比較的 広いという利点をもつ．図 2(b) の信号再生器は，動作原 理の違いにより，正常 散性の HNLF を用いるスペクト ル幅拡大/スペクトル切り出し型再生器 (以下，スペク ミラ (a) (b) 図 1 全光信号再生における (a) 波形整形および (b) タイ ミング再生． (a) (b) 図 2 自己位相変調効果を用いた全光信号再生器．(a) 非線 形光ループ ずら ー (右回り光と左回り光の電力に差をつける ために，結合器の 岐比を 50：50から りと す必要がある)， (b) スペクトル広が 狭帯域光フィルタリングの組み合 わせ．

HNLF に入力され，スペクトル幅が大きく広げられる．入 力パルスの振幅の変動は，出力においては主としてスペク トル幅の変動となって現れ，スペクトルの電力密度は大き くは変動しない．そのため，広がったスペクトルの一部を OBPF によって切り出せば，エネルギーが安定化された出 力パルスを取り出すことができる．また，入力パルスの振 幅が小さい場合は，スペクトル広がりが生じないため， OBPF の中心波長を入力信号波長からずらせておくと，低 電力の入力信号は出力されずに再生器によって除去され る．したがって，この信号再生器は，信号パルスの振幅を 安定化すると同時に，ゼロ状態の雑音を除去する働きも備 えることになる． ソリトン型の再生器の場合，入力パルスのピーク電力が HNLF 中の基本ソリトンピーク電力 P よりも大きいとき は，パルス圧縮が生じファイバー出力におけるスペクトル 幅が広がる．入力パルスのピーク電力が P よりも小さい ときは，ファイバー出力に現れるソリトンのパルス幅が広 がるため， 散波を除いた信号のスペクトル幅は狭くな る．したがって，ファイバー出力に置かれた OBPF は，フ ァイバー入力パルス電力に依存する損失 (入力電力が大き いほど損失が大) をパルスに与えることになり，パルス振 幅が安定化される．この再生器では，OBPF の中心波長が 入力信号の波長と同一である点が，スペクトルスライス型 の再生器と異なる．この信号再生器の問題点は，非線形フ ァイバーと OBPF の組み合わせだけではゼロ状態の雑音 (OBPF の帯域内の雑音) が除去されず，逆にゆるやかに 増幅される点である．再生器を伝送路中に多数個揷入し， 信号再生を繰り返し行う場合は，ゼロ状態の安定化も必要 である．そのためには，再生器内に可飽和吸収特性をもつ 素子を追加して揷入する必要がある ． 図 2(b) の構造をもつ，上述の 2種の信号再生器の出力 パルスエネルギー対入力パルスエネルギー特性 (エネルギ ー伝達特性) の計算例を図 3に示す ．どちらの再生器に おいても，HNLF の長さ，損失，非線形係数は 3km，0.5 dB/km，16.2/W/km である．スペクトルスライス型再生 器の場合は，HNLF の 散は−0.5ps/nm/km，OBPF の 帯域幅および中心波長のずれは 80GHz および 1.5nm で ある．ソリトン型再生器の場合は，HNLF の 散は 5ps/ nm/km，OBPF の帯域幅は 120GHz である．入力パルス 幅は両者の場合とも 5.5psである．なお，ここでの計算 は，図 2(b) に示す 2R 型構成の直前に同期振幅変調器を 付加した構成の再生器に対して行った．同期振幅変調器は パルス列のタイミングを再生する機能をもち，簡易な構成 で 3R 動作を実現できる ．また，同期振幅変調は雑音な どの低振幅の線形波に対しては損失を与える効果があるの で，ソリトン型再生器において，可飽和吸収素子を用いず にゼロ状態を安定化させることができる ．図 3(a) よ り，スペクトルスライス型再生器のほうがよりディジタル 的な入出力特性をもち，強い振幅再生効果を有することが わかる．しかしながら，スペクトルスライス型再生器にお いて，スペクトル幅を十 に広げるためには大きな入力パ ルスエネルギーが必要であり，かつスペクトル切り出し時 の信号エネルギー損失が大きい．ソリトン型再生器の場合 は，図 3(b) に示されるように入出力特性における非線形 性が小さく，再生器 1回あたりの振幅再生効果は弱い．し かし，多数個の再生器を伝送路中に配置することによって， 高品質で安定な信号伝送を実現できる ．また，HNLF に 入力する信号のエネルギーは，スペクトルスライス型再生 器の場合の数 の 1でよい．なお，図 3(a, b) 中の点 P は，多数の再生器を縦続接続した場合の動作点である．点 P と原点を結ぶ点線の傾きの逆数 (E /E )が，信号再生 器による信号エネルギーの損失を補うために再生器間に揷 入すべき増幅器の利得を与える． これらの信号再生器の有効性は長距離伝送実験によって (a) (b) 図 3 エネルギー伝達関数．(a) スペクトルスライス型再生器， (b) ソリトン型再生器．点 P は縦続接続時の動作点を示す． 34巻 1号（2 05） 21 21( )

確認されている．スペクトルスライス型再生器について は，同期振幅変調によるタイミング再生を併用した 40 Gbps, 100万 km 周回伝送実験 (信号の Q 値は 19dB 以 上，再生器間隔は 400km) が報告されている ．なお，こ の実験では，再生器ごとの波長変換を避けるため，図 2(b) に示す構成を 2段直列に接続し，いったん波長変換された 信号を 2段目のファイバーおよび OBPF でもとの波長に 戻 し て い る．ソ リ ト ン 型 再 生 器 に つ い て は，InGaAs/ InAlAs多重量子井戸垂直入射/反射型の可飽和吸収素子 を併用した 40Gbps，7600km 周回伝送実験 (信号の Q 値 13dB 以上，再生器間隔 240km)が報告されている ．ま た，両者の構成とも，160Gbpsの高速信号処理が可能であ ることが確かめられている ．さらに，ソリトン型再生 器に関しては，多波長一括動作 (4チャネル×40Gbps)の 実験も報告されている ． 2. 四光波混合効果を利用した全光信号再生 光ファイバーに波長が異なるポンプ光と信号光を同時に 入力すると，ポンプ光と信号光の差の周波数 (ビート) で 振動する動的な屈折率変調が生じ，それによる光の散乱に よって，入力光とは別の周波数の光が発生する．この現象 を四光波混合 (FWM)効果と呼ぶ．FWM は，前章で述べ た SPM 効果と同じく，媒質のカー非線形性に起因する非 線形現象のひとつである．FWM 効果は波長変換，位相共 役光発生，パラメトリック増幅，超高速スイッチングなど に応用できることが知られているが，振幅制限器や信号再 生器に応用することもできる ．SPM に基づく信号再 生器と異なり，再生器内にポンプ光源を備える必要があり， ポンプ，入力信号，出力信号の波長配置を適切に設定する 必要もあるが，ポンプ光電力が十 大きい場合は信号変換 利得が得られるという利点や，入力信号の位相情報が振幅 再生を行った後にも保持されるという特徴がある．信号再 生はこれまでオン・オフ変調 (on-offkeying:OOK) され た信号のみを対象にしてきたが，位相変調された信号の波 形整形が可能になれば，信号再生器の適用範囲が増えネッ トワークの柔軟性も増すと えられる．本章では，FWM を利用した全光 2R 再生器の原理と，FWM 型全光 2R 信 号再生器による return-to-zero差 位相変調 (RZ-DPSK) 信号伝送の特性改善効果について述べる ． 図 4に，FWM を利用した全光 2R 信号再生器の構成 と，非線形ファイバー入出力におけるスペクトルの略図を 示す．ファイバー出力における FWM 成 のいずれかを OBPF によって取り出し，出力光として用いる．図 5は， 入力信号として単一光パルスを再生器に入力し，入力信号 と同じ波長成 (波長 λ，振幅 A )，アイドラー成 (波 長 λ，振幅 A )，二次の FWM 成 (波長 λ，振幅 A )， および三次の FWM 成 (波長 λ，振幅 A ) のいずれか を出力光として取り出した場合のエネルギー伝達関数の例 である．いずれの波長成 を出力光として用いる場合も， 入力パルスエネルギーが大きくなると，ポンプデプレッシ ョンおよびより高次の FWM 成 への電力の移行のため に出力エネルギーが飽和し，振幅制限効果が得られる． どの FWM 成 を出力光として用いるかによる信号再 生効果の違いを表 1にまとめる．入力信号と同じ波長成 およびアイドラー成 を用いる場合，出力信号の複素振幅 は入力信号の複素振幅 E およびその複素共役 E にそ 図 4 四光波混合効果を用いた全光信号再生器とファイバー 入出力スペクトル． 図 5 四光波混合効果を用いた全光信号再生器のエネルギー 伝達関数． 表１ 種々の FWM 成 を出力光として用いた信号再生の特徴． 出力波長 出力信 号振幅 2値位相情報 の保持特性 ゼロ状態 安定化特性 波長 保持/変換 λ ∝E ○ × 保持 λ ∝E ○ × 変換 λ ∝E × ○ 変換 λ ∝E △ ○ 変換 データ駆動ポンプ動作 × ○ 変換

まれるバイナリーの位相情報は失われる．三次の FWM 成 の場合は，バイナリー位相情報はほぼ保持されるが，入 力信号に含まれる位相のゆらぎが出力では 3倍に拡大され るため，位相保持を目的とする信号再生には不向きであ る．また，高次の FWM 成 を出力として利用する場合 は，図 5にも示されているようにゼロ状態も安定化され る ．増幅した信号光をポンプ光として用いる構成でも 2R 再生機能を得ることができる (マーク状態とスペース 状態の両者がともに安定化される) が ，信号の位相情報 は失われる．なお，入力信号と同じ波長成 を出力光とし て用いるパラメトリック増幅型以外の場合は，信号再生に 波長変換が伴う．波長変換を避けるためには，2段構成と していったん波長変換された信号をもとの波長に再変換す る必要がある．以下では，入力信号と同じ波長成 を出力 光として用いる場合の信号再生機能について，数値計算例 を示す．なお，以下のシミュレーションでは，ゼロ状態を 安定化し，RZ パルスの伝送が安定となるように，可飽和 吸収素子を図 4の構成の入力部に付加している ． 図 6(a) は，FWM 型再生器を多数個縦続接続した系を 伝搬する 1個の光パルスのエネルギーの変化を示したもの である．初期パルス幅を固定し初期エネルギーを変化させ てパルス伝搬の振る舞いを計算した．HNLF の長さ，損 失，非線形係数，および 散スロープの値は，1.5km，0.5 dB/km，16.2/W/km，および 0.03ps/nm /km，信号光お よびポンプ光の波長配置は λ−λ＝λ−λ＝3nm (λ は ゼロ 散波長)，ポンプ光電力は 30mW，出力光を取り出 すための OBPF の帯域幅は 150GHz である．また，縦続接 続された信号再生器間に，信号再生に伴う損失を補償する ための増幅器 (増幅率 G＝3.2) が揷入されている．図 6 (a) より，入力パルスエネルギーがある閾値よりも大きけ れば，パルスエネルギーはおよそ 0.19pJ に安定化される ことがわかる．安定化された後のパルス幅は 7.2psであ る．また，可飽和吸収素子の効果により，入力パルスエネ ルギーが閾値よりも低い場合はパルス振幅はしだいにゼロ に近づく．図 6(b) は，エネルギーの変化に伴ってパルス の位相がどのように変化するかを示したものである．初期 振幅が異なるパルスは，振幅安定化の過程で異なる大きさ の SPM を経験するため，初期振幅の違いに応じてパルス の位相がばらつくことがわかる． このようなパルス位相の拡散は，RZ-DPSK などの位相 が情報を担う信号の振幅を再生する際の問題となる．しか しながら，位相の拡散の程度が小さければ，再生器によっ て振幅雑音が抑圧されるので，位相雑音ではなく振幅雑音 が伝送特性を決定する主要因である系において再生器が効 果をもつ．また，非線形性が強い伝送系において，インラ インの増幅器の自然放出雑音 (amplified spontaneous emission: ASE) による信号振幅のゆらぎが信号の位相雑 音に変換され，伝送特性を劣化させる場合 (この効果は Gordon-Mollenauer効果と呼ばれる ) にも，伝送途中で 信号振幅を安定化することは伝送品質の向上をもたらす． そこで，図 4に示す FWM 型信号再生器が，RZ-DPSK 40Gb/s長距離信号伝送特性を改善する効果があるかどう かを数値計算によって確かめた．想定した伝送系は，増幅 器間隔が 80km で，標準単一モードファイバーと逆 散 ファイバーによって伝送路が構成された準線形伝送系であ り，256ビットパルス列の伝送シミュレーションを行っ た．図 7に，1440km 伝送後の 256個のパルスの複素振幅 の 布 (コンスタレーション) を示す．インライン増幅器 の出力信号電力は 0dBm，雑音指数は 5dB である．図 7 (a) は，再生器を用いない場合のコンスタレーション図で ある．インライン増幅器からの ASE 雑音のために，信号 振幅が振幅方向および位相方向の両方向に大きくゆらいで (a) (b) 図 6 縦続接続された FWM 型信号再生器を伝搬する単一パ ルスの (a) エネルギーと (b) 位相． 34巻 1号（2 05） 23 23( )

いる．図 7(b) は，FWM 型の信号再生器を 6スパンごと (480km 間隔) に揷入した場合である．振幅方向のゆらぎ が強く抑制され，位相方向のゆらぎは信号再生器を用いな い場合とほぼ同じ程度に保たれていることがわかる．図 7 (c) および (d) に，前章で述べた SPM に基づく 2R 信号 再生器を 6スパンごとに揷入した場合の信号のコンスタレ ーション図を，参 のために示す．SPM に基づく信号再 生器では，非線形ファイバーに入力される信号電力が FWM 型の信号再生器の場合よりも大きく，振幅安定化に 伴う位相変化量が大きくなる．その結果，信号位相が大き く拡散し，位相情報がほとんど失われることがわかる ． 光ファイバーの非線形効果を利用した信号再生技術につ いて，自己位相変調 (SPM) と四光波混合 (FWM) のそ れぞれに基づく信号再生器の原理と最近の研究報告例を紹 介した．ファイバー中の SPM を利用すると，きわめて単 純な構造で高速の信号再生器を実現できる．また，FWM を利用した信号再生器は入力信号に含まれる位相情報をか なりの程度保持することができ，オン・オフ変調および位 相変調された 2種の信号に関してトランスペアレントな信 号波形整形器として働く． キャリヤー波長が異なる複数の信号が多重化された波長 割多重システムにおいて信号再生を行う場合，現状で は，波長 離した後にチャネルごとに信号再生処理を施し 再び多重化することになる．再生装置の大規模化を防ぐた めには，チャネルあたりの信号速度を上げると同時に高速 の信号再生器を用い，チャネル数を減らすことが有効であ るが，その一方で，比較的低速の波長チャネルの信号を一 括して再生することができれば，現状の長距離伝送システ ムなどとの親和性の点からもきわめて有効である．多波長 一括処理や，種々の変調形式・速度の信号処理を可能にす るような，より高機能で柔軟性に富む再生器の開発に向け た今後の研究が期待される． なお，本稿に関連する研究は，情報通信研究機構委託研 究「トータル光通信技術の研究開発」ならびに日本学術振 興会科学研究費補助金 S13852010の援助のもとに行われ た． 文 献

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(2004年 11月 4日受理)